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点击次数:370 发布时间:2020-04-30
  无论是实验还是工业中,都需要天平进行测量工作,而石英晶体微天平作为一款测试精度非常高的测量天平,在一些细微的测量工作中起到了非常重要的作用。那么我们就来看下石英晶体微天平的一些知识。
 
  关于石英晶体微天平
 
  石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)的发展始于上世纪60年代初期,它是一种非常灵敏的质量检测仪器,其测量精度可达纳克级,比灵敏度在微克级的电子微天平高1000 倍,理论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的几分之一。石英晶体微天平利用了石英晶体的压电效应,将石英晶体电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化,进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的数据。
 
  石英晶体微天平的原理
 
  石英晶体微天平基本的原理是利用了石英晶体的压电效应:石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形,若在晶片的两侧施加机械压力,会使晶格的电荷中心发生偏移而极化,则在晶片相应的方向上将产生电场;反之,若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形,这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,这种现象称为压电谐振。它其实与LC回路的谐振现象十分相似:当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容器称为静电电容C,一般约几个PF到几十PF;当晶体振荡时,机械振动的惯性可用电感L 来等效,一般L 的值为几十mH到几百mH。由此就构成了石英晶体微天平的振荡器,电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率,再通过主机将测的得谐振频率转化为电信号输出。由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关,而且可以做得精确,因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
 
  石英晶体微天平的应用
 
  石英晶体微天平的其他组成结构在不同型号和规格的仪器中也不尽相同,可根据测量需要选用或联用。一般附属结构还包括振荡线路、频率计数器、计算机系统等;另外经常加装一些辅助输出设备,例如显示器、打印机等。
  由于其具有具有结构简单、成本低、灵敏度高、测量精度可以达到纳克量级的优点,被广泛应用于化学、物理、生物、医学和表面科学等领域中,用以进行气体、液体的成分分析以及微质量的测量、薄膜厚度及粘弹性结构检测等。它的在线跟踪检测微观过程的变化,获取丰富的在线信息的优点,是其他方法无法比拟的。这项技术以其简便、快捷、灵敏度高、在线跟踪等优势,必将与其他技术结合成为微观过程与作用机理研究,微量、痕量物质的检测等方面十分有效的手段,获得广泛应用。
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